Les transistors au carbure de silicium sont de plus en plus utilisés dans lesTension convertisseurs de puissance car ils peuvent répondre aux exigences strictes en matière de taille, de poids et/ou d'efficacité de ces applications. Mais pourquoi est-ce sans souci si fascinant pour les ingénieurs ? Le blog fournira quelques informations.
Les propriétés matérielles exceptionnelles du carbure de silicium (SiC) permettent la conception de dispositifs unipolaires à commutation rapide au lieu de la porte isolée bipolaire Transistor (IGBT) commutateurs. Ainsi, des solutions qui n'étaient réalisables que dans le monde basse tension avec des tensions de 600 V et moins sont désormais également possibles à des tensions plus élevées. Les résultats sont une efficacité accrue, des fréquences de commutation plus élevées, une dissipation thermique moindre et des économies d'espace, des avantages qui, à leur tour, réduisent également le coût global du système.
Infineon Technologies a identifié ce potentiel il y a près de 30 ans et a constitué une équipe d'experts en 1992 pour développer des diodes et des transistors SiC pour des applications industrielles de haute puissance. Voici une liste courte et incomplète des étapes franchies depuis lors :
- Première introduction au monde de diodes Schottky à base de SiC en 2001
- Les premiers modules de puissance contenant des appareils SiC en 2006
- La sortie de la cinquième génération actuelle de diodes SiC
- Le passage complet à la technologie des plaquettes de 150 mm dans l'usine d'innovation de Villach dans le cadre de la première de l'innovant Trench CoolSiC™ mosfet en 2017.
Métal-oxyde-Semi-conducteurs transistors à effet de champ (mosfet) ont été communément acceptés comme le concept de choix lorsque l'on vise des dispositifs SiC fiables. Initialement, effet de champ de jonction Transistor Les structures JFET semblaient être la solution ultime pour fusionner performances et fiabilité dans un transistor SiC. Cependant, avec la technologie de plaquettes de 150 mm désormais établie, les MOSFET SiC à base de tranchées sont devenus réalisables. De cette façon, le dilemme des structures semi-conductrices à double diffusion métal-oxyde (DMOS) d'avoir des performances ou une fiabilité élevée pourrait être résolu.
Les dispositifs de puissance à large bande interdite, tels que les diodes et les transistors SiC ou les transistors à haute mobilité électronique au nitrure de gallium (HeMT GaN), sont aujourd'hui des éléments communs dans la bibliothèque des concepteurs d'électronique de puissance. Mais pourquoi? Qu'y a-t-il de si fascinant dans le carbure de silicium par rapport au silicium traditionnel ? Qu'est-ce qui rend les composants SiC si attrayants pour les ingénieurs de conception qu'ils les utilisent si fréquemment dans leurs conceptions malgré leurs coûts plus élevés par rapport aux dispositifs haute tension en silicium ? Regardons quelques raisons.
De faibles pertes et un champ à ventilation élevée sont essentiels
Dans les systèmes de conversion de puissance, les ingénieurs de conception s'efforcent en permanence de réduire les pertes d'énergie pendant la conversion. Les systèmes modernes sont basés sur des technologies dans lesquelles des transistors à semi-conducteurs sont activés et désactivés en combinaison avec des éléments passifs. Pour les pertes liées aux transistors utilisés, plusieurs aspects sont pertinents.
- Tout d'abord, les ingénieurs concepteurs doivent tenir compte des pertes dans la phase conductrice. Dans les MOSFET, ceux-ci sont définis par une résistance classique. Dans les IGBT, il s'agit d'un déterminateur de perte de conduction fixe sous la forme d'une tension au coude (Vce_sat) et en plus une résistance différentielle de la caractéristique de sortie. Les pertes dans la phase de blocage peuvent généralement être négligées.
- Deuxièmement, les ingénieurs de conception doivent considérer qu'il y a toujours une phase de transition entre l'état ON et OFF pendant la commutation (Figure 1). Les pertes associées sont définies principalement par les capacités de l'appareil. Dans les IGBT, d'autres contributions sont en place en raison de la dynamique des porteurs minoritaires (crête d'activation, courant de queue).
Sur la base de ces considérations, on pourrait s'attendre à ce que l'appareil de choix soit toujours un MOSFET. Cependant, en particulier pour les hautes tensions, la résistance des MOSFET au silicium devient si élevée que le bilan des pertes totales est inférieur à celui des IGBT, car ceux-ci peuvent utiliser la modulation de charge par des porteurs minoritaires pour réduire la résistance en mode de conduction.
Figure 1: La figure montre une comparaison graphique du processus de commutation et du comportement statique IV. (Source : Infineon Technologies)
La situation change lorsque l'on considère les semi-conducteurs à large bande interdite. Figure 2 résume les propriétés physiques les plus importantes du SiC et du GaN par rapport au silicium. La corrélation directe entre la bande interdite et le champ électrique critique d'un semi-conducteur est significatif. Avec le SiC, il est environ 10 fois plus élevé qu’avec le silicium.
Figure 2: L'image met en évidence les propriétés physiques critiques du SiC et du GaN par rapport au silicium. (Source : Infineon Technologies)
Avec cette caractéristique, la conception des composants haute tension est différente. Figure 3 montre l'impact, en utilisant l'exemple d'un dispositif à semi-conducteur de 5 kV. Dans le cas du silicium, les concepteurs de semi-conducteurs sont contraints d'utiliser une zone active relativement épaisse en raison du champ de claquage interne modéré. De plus, seuls quelques dopants peuvent être incorporés dans la zone active, ce qui entraîne une résistance série élevée (comme indiqué dans Figure 1).
Figure 3: Le SiC permet des zones actives semi-conductrices plus fines. (Source : Infineon Technologies)
Avec un champ de claquage 10 fois plus élevé en SiC, la zone active peut être rendue beaucoup plus fine. En même temps, beaucoup plus de porteurs libres peuvent être incorporés, et ainsi, une conductivité sensiblement plus élevée peut être obtenue. On peut dire que dans le cas du carbure de silicium, la transition entre les dispositifs unipolaires à commutation rapide tels que les MOSFET ou les diodes Schottky, et les structures bipolaires plus lentes telles que les IGBT et les diodes pn, s'est maintenant déplacée vers des tensions de blocage beaucoup plus élevées (Figure 4).
Figure 4: Le SiC offre des tensions de blocage plus élevées que le silicium traditionnel. (Source : Infineon Technologies)
Ou vice versa : ce qui était possible avec du silicium dans la gamme basse tension autour de 50V est réalisable avec du SiC pour les appareils 1200V.
Conclusion
Les progrès de la technologie WBG et silicium Les propriétés matérielles supérieures du carbure permettent à ces dispositifs de fonctionner avec une commutation plus rapide, de faibles pertes de commutation et une zone active plus fine, résultant en des conceptions avec une efficacité accrue, des fréquences de commutation plus élevées et un meilleur gain de place. En conséquence, les MOSFET SiC deviennent l'option préférée par rapport au silicium traditionnel pour les applications de conversion de puissance.
Pour plus d'information: mouser.com
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